車輪踏面磨耗對車輪動力學性能的影響分析

車輪踏面磨耗對車輪動力學性能的影響分析

在高速列車的運行過程中，不可避免地會發(fā)生車輪磨損。車輪磨損會改變坐架的形狀，相應的錐形和車輪直徑差會發(fā)生變化，從而影響高速列車的動態(tài)性能。目前,國內外對輪軌關系的研究大多將輪軌損傷與輪軌幾何接觸關系分開進行,而對于由于車輪踏面磨耗引起的輪軌非對稱接觸對車輛系統動力學性能的變化研究比較少。輪軌接觸關系大多假設為對稱接觸,但在很多情況下,例如左右車輪磨耗量不同會引起輪軌非對稱接觸現象,導致輪軌動態(tài)接觸力和輪軌磨耗的加劇,降低輪軌使用壽命,進一步還會影響車輛的動力學性能。因此,為了解決由于輪對磨耗不均形成的輪軌非對稱接觸問題,必須在既有對稱的車輛/軌道模型基礎上,建立新的考慮輪軌非對稱接觸的車輛軌道模型。輪軌關系是軌道車輛運行的根本所在,機車車輛動力學是機車車輛實際運行行為的反應,只有將兩者結合起來進行研究,才能真正找到輪軌非對稱接觸的危害和形成輪軌非對稱接觸的根本原因。1輪對輪徑差引起的輪對沖角車輪踏面磨耗會引起踏面形狀的改變從而會引起車輪輪徑差的變化,實際中其表現形式多種多樣,但它們都可以分解為圖1所示的四種最基本的形式。圖1(a)為轉向架等值同相輪徑差,圖1(b)為等值反向輪徑差,圖1(c)為后輪對輪徑差,圖1(d)為前輪對輪徑差。如果輪對存在輪徑差,車輛在運行過程中就會使輪對的純滾線偏離軌道中心線,進而改變輪軌接觸關系,影響車輛系統的動力學性能。由于輪徑差的存在,會引起輪對橫移量的變化。當左右車輪通過過盈配合與車軸壓裝在一起時,車輛運行過程中左右車輪的轉動角速度是相同的,因此如果出現輪徑差,為了保證左右車輪走行距離的相同,車輪就會通過踏面錐度來調整車輪的滾動圓直徑,使輪對中心線偏離軌道中心線向輪徑小的一側移動,直至左右車輪達到平衡,因此輪對中心線就會相對于軌道中心線有一定的橫移量。令車輪踏面錐度為一定值λe(即踏面等效錐度),當車輪左側直徑小于右側直徑時,輪對中心就會離開軌道中心線向左移動yw,則兩側車輪的實際滾動圓半徑分別為RL=r0+λeyw(1)RR=r0-λeyw(2)令輪徑差為:ΔD=DL-DR(3)則由式(1)～式(3)可以得到:yw=ΔD/4λe(4)式中,r0,RL,RR分別為車輪名義滾動圓半徑、左右輪的實際滾動圓半徑;ΔD,DL,DR分別為車輪輪徑差、左右輪實際滾動圓直徑。由式(4)可以看出,輪對純滾線偏離軌道中心線的距離隨著輪徑差的增大而增大,隨著等效錐度的增大而減小。根據式(4)可以進一步分析在不同形式的輪徑差下轉向架的運動狀態(tài):當轉向架具有如圖1(a)所示的等值同相輪徑差時,前后輪對的輪徑差等值同號,則使前后輪對純滾線偏離軌道中心線的距離等值同相,這樣不會使轉向架發(fā)生較大幅度的偏轉,因此前后輪對的沖角也比較小;當轉向架具有如圖1(b)所示的等值反相輪徑差時,前后輪對的輪徑差等值異號,必然引起前后輪對向相反的方向移動,從而導致轉向架發(fā)生較大幅度的轉動,勢必引起前后輪對之一具有較大的沖角;當轉向架具有如圖1(c)所示的后輪對輪徑差和圖1(d)所示的前輪對輪徑差時,只有一個輪對的純滾線偏離軌道中心線,因此它們引起的輪對沖角應該介于圖1(a)和圖1(b)兩種工況之間。以上公式在推導過程中是忽略了輪徑差引起的側滾對等效錐度的影響,因此式(4)只是輪徑差引起的輪對橫移的近似公式。圖2分別為不同形式的輪徑差引起的輪對沖角的變化圖,由圖中可以看出:具有等值同相輪徑差的輪對沖角最小,而具有等值反相輪徑差的輪對沖角最大,其他兩種情況引起的輪對沖角介于以上兩種工況之間。同時仿真結果也可與以上的理論分析結果相一致。另外,根據klingel公式,車輪的蛇形運動頻率與踏面等效錐度滿足如下關系:f=12πλebr0???√v(5)f=12πλebr0v(5)式中:f為蛇行運動頻率;λe為踏面等效錐度;b為左右輪軌接觸點橫向距離的一半;r0為車輪滾動圓半徑;v為車輪運行速度。由(5)式可以看出,踏面等效錐度越大,車輪的蛇形運動頻率也越大,車輪的穩(wěn)定性反而會降低。2結果表明，車輪磨損數據的測量以及車輪之間非對稱接觸的幾何關系2.1調查輪對左右車輪磨耗效果的測試圖3為車輛各位車輪磨耗量的實測圖,從圖中可以清楚的看到第5位車輪的磨耗最大,6位車輪磨耗最小,其形成的非對稱接觸關系最嚴重。本文選取由5、6位車輪組成的輪對作為研究對象,并測量其左右車輪的磨耗數據,分別選取其運行14萬公里與20萬公里兩組數據,圖4為實測同一輪對左右車輪的踏面狀態(tài),其中“S1L”、“S1R”、“S2L”和“S2R”分別代表第一次測試左右輪、第二次測試左右輪的踏面外形。圖5為車輪磨耗曲線及磨耗量的實測曲線可以看到左右車輪的磨耗并不一致,從表1也可以看出左右車輪的磨耗量及輪徑差。2.2輪軌接觸點分布從上邊實測的踏面外形及其磨耗數據,可以得出不同磨耗工況下輪軌接觸幾何關系。從圖6(a)可以看出標準踏面外形和標準鋼軌外形匹配時,左右側輪軌接觸點分布完全對稱,而從圖6(b)和圖6(c)可以看出在輪對有磨耗的工況下輪軌呈現明顯的非對稱幾何接觸關系。其中G0對應于無磨耗工況,G1、G2分別對應于磨耗14萬公里與磨耗20萬公里時的工況。2.3車輪等效錐度隨踏面磨耗的變化圖7為3種不同工況下車輪等效錐度隨輪對橫移量的變化曲線,由圖可見,隨著踏面磨耗的加劇,車輪的等效錐度增大,并且磨耗越嚴重,車輪等效錐度隨輪對橫移量的變化也越大。根據公式(5)等效錐度越大,車輛的穩(wěn)定性越差。3面磨耗對車輛臨界速度和平穩(wěn)性的影響根據以上實測數據可以看出車輛在運行一段時間后,車輪的踏面外形和和輪徑均發(fā)生了明顯的變化,從而使輪軌形成了非對稱幾何接觸關系。為了進一步研究在輪軌非對稱接觸情況下車輛動力學性能的變化情況,本文以某型高速列車為例,在SIMPACK軟件中建立其動力學仿真模型,并給模型施加德國高干擾軌道譜。表2是踏面磨耗對車輛臨界速度和平穩(wěn)性的影響,從表中可以看出隨著運行里程的增加,踏面磨耗越來越嚴重,使得輪軌呈現明顯的非對稱接觸,從而導致車輛的臨界速度越來越低,最大下降了123km/h,從而也驗證了前邊的公式(5),等效錐度越大,車輛的蛇形穩(wěn)定性越低。另外,從表2中也可以看出,隨著磨耗量的增大,車輛的橫向平穩(wěn)性越來越差,而垂向平穩(wěn)性惡化不明顯。導致橫向平穩(wěn)性下降的原因主要是因為磨耗后的車輪利用踏面進行輪對橫移和搖頭位置的調整,使輪對接觸位置發(fā)生改變,進而使輪對的等效發(fā)生改變;垂向平穩(wěn)性變化不明顯的原因是本文假設車輪在磨耗后沒有出現車輪不圓的情況。圖8(a)、(b)、(c)、(d)分別為在不同速度下車輪磨耗引起的非對稱接觸對車輛脫軌系數、輪軸橫向力、摩擦功率和軸箱處橫向加速度的影響。從圖中可以看出,以上各指標均隨磨耗量的增加而增加,并且可以看出,在G2工況時,車輛的各項動力學指標已經非常惡化了,因此在車輛實際運用中,應盡量避免如G2工況這樣的強輪軌非對稱接觸情況的出現。4等效錐度與輪徑差的關系(1)通過分析車輪磨耗引起的踏面外形變化對輪對運動的影響表明:當車輪具有等值同相輪徑差時輪對形成的沖角最小,具有等值反相輪徑差時輪對形成的沖角最大,前輪對輪徑差和后輪對輪徑差輪對